قسم الميثانول: سؤال يومي، ما هي ظروف عملية تصنيع الميثانول؟ 2016.03.28
Thread Content
قسم الميثانول: سؤال يومي، ما هي ظروف عملية تصنيع الميثانول؟ الجواب: تُعد عملية تصنيع الميثانول عملية انكماش في الحجم، وهي عملية تطلق طاقة، كما أنها تتم بمشاركة محفزات. لذلك، 1) يساعد رفع الضغط في تحفيز إنتاج الميثانول، ولكن نظرًا لضرورة توفير استهلاك الطاقة في أجهزة الضغط، وخفض تكاليف الاستثمار وتكاليف الإنتاج، بالإضافة إلى ضغط الغازات الأولية المستخدمة في الإنتاج، فإن هذا الجهاز يستخدم طريقة الضغط المنخفض. ٢) مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد سرعة التفاعل، لكن في حالة التفاعلات المطلقة للحرارة، يتحرك التوازن في الاتجاه المعاكس، مما يعيق تكوين الميثانول. لذلك، يجب إزالة الحرارة الناتجة عن التفاعل. عادةً ما يتم نقل الحرارة باستخدام طريقة التبريد بالصدمة أو الأنابيب. يستخدم هذا الجهاز مفاعل أنابيب متساوي الحرارة، حيث يتم التخلص من البخار ذو الضغط المتوسط الناتج كنتيجة لعملية التفاعل. بالنسبة للمحفزات المصنوعة من النحاس، فإن درجة الحرارة المثالية تكون بين 225 و270 درجة مئوية. ٣) يساعد رفع تركيزات غازات CO وCO2 وH2 في تكوين الميثانول، ولكن يجب أن يتم ذلك وفقًا لنسب التفاعل المناسبة. لذلك، يتم التحكم في نسبة الهيدروجين إلى الكربون في تفاعل الميثانول عادةً بين 2.0 و2.25. يتم حساب نسبة الهيدروجين إلى الكربون وفقًا للمعادلة التالية: H2-C02/CO2+CO أو H2/（CO+1.5 CO2). بالنسبة لهذا التفاعل، فإن وجود فائض من الهيدروجين يساعد على سير التفاعل في الاتجاه الصحيح، مما يزيد من معدل تحويل ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون. كما أن الهيدروجين، بفضل خصائصه الجيدة في نقل الحرارة، يساعد على منع التسخين المفرط للمحفز. بالإضافة إلى ذلك، يساعد الفائض من الهيدروجين في خفض ضغط أول أكسيد الكربون، مما يقلل من تآكل المعدات الناتج عنه. يؤدي ارتفاع مستوى ثاني أكسيد الكربون، ونظرًا لأن تفاعل ثاني أكسيد الكربون يطلق كمية قليلة من الحرارة، إلى تحسين استقرار درجة حرارة برج التخليق، مما يساعد على الحفاظ على فعالية المحفزات المصنوعة من النحاس. لكن تفاعل ثاني أكسيد الكربون ينتج الماء، وهو ما يزيد من أعباء عملية التقطير. يتم التحكم فيه عادةً بين 2 و6%، ولا يتجاوز 8%. لكن انخفاض مستوى ثاني أكسيد الكربون يؤدي إلى انخفاض نشاط الحفاز ومعدل التحويل. ٤) يؤدي وجود الغازات الخاملة إلى انخفاض الضغط الجزئي لغازات CO وCO2 وH2، مما يقلل من معدل التحويل في عملية تصنيع الميثانول، كما ينخفض أيضًا إنتاجية المعدات لكل وحدة حجم. بالإضافة إلى ذلك، يزداد حجم الغاز المستخدم في الدورة، مما يرفع استهلاك الطاقة. لذلك، من الضروري تفريغ الغازات الخاملة من النظام بشكل دوري. 5) السرعة الهوائية: في ظل ظروف معينة، عندما تزداد السرعة الهوائية، يقل الوقت الذي يقضيه الغاز الخام في التلامس مع المحفز، مما يؤدي إلى عدم اكتمال التفاعل. ونتيجة لذلك، يكون محتوى الميثانول في الغاز الخارج من الخلاط منخفضًا. لكن، نظرًا لزيادة عدد المرات التي يمر فيها الغاز عبر المحفز في كل وحدة زمنية، فإن معدل التحويل الكلي يزداد ； مع زيادة السرعة الهوائية وارتفاع الضغط، تزداد المتطلبات المفروضة على المعدات، كما يزداد الحرارة المستخرجة من الخزان الاصطناعي، مما يتطلب مساحة أكبر لمبادلات الحرارة في الأنظمة التالية.
أهم شروط عملية تصنيع الميثانول هي درجة الحرارة، والضغط، وتركيب الغازات الخام، بالإضافة إلى معدل التدفق. أولاً، درجة الحرارة: فيما يتعلق بتفاعل تصنيع الميثانول، فإن التفاعلات الكيميائية المعنية هي CO + 2H2 = CH3OH + Q، وCO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q. ويُعتبر هذا التفاعل تفاعلاً مطلقاً للحرارة. من مزايا ارتفاع درجة الحرارة أنه يزيد من سرعة التفاعل، وبالتالي يزيد من سرعة تصنيع الميثانول； العيوب: 1. التخليق عبارة عن تفاعل انفجاري قابل للعكس، وارتفاع درجة الحرارة يعيق سير التفاعل في الاتجاه الصحيح ； ٢. المحفزات المبنية على النحاس حساسة لدرجة الحرارة داخل أبراج إعادة التصنيع، فالحرارة العالية قد تؤدي إلى فقدان الفعالية للمحفز ； ٣. درجة الحرارة المرتفعة قد تؤدي إلى حدوث العديد من التفاعلات الجانبية، مما يزيد من كمية الشوائب في الميثانول الخام الناتج ； إذًا: درجة الحرارة المثالية لنشاط محفز Zn—Cr هي 320–400 درجة مئوية، بينما الدرجة المناسبة للتشغيل هي 370–380 درجة مئوية. أما درجة الحرارة المثالية لنشاط المحفزات المصنوعة من النحاس فهي 200–290 درجة مئوية، والدرجة المناسبة للتشغيل هي 250–270 درجة مئوية. ولضمان بقاء درجة الحرارة في المستوى المناسب، يتم نقل الحرارة من داخل الخزان الكيميائي في الوقت المناسب، والطرق المستخدمة لذلك هي: أ) التصميم القائم على التبريد الفوري، ب) التبادل الحراري غير المباشر. ثانيًا: الضغط: ارتفاع الضغط يساعد على تقليل حجم المنطقة المستخدمة في التفاعل ； ينخفض V، مما يزيد من فرص الاصطدام، كما يتسارع معدل التفاعل أيضًا ； لكن عندما يرتفع الضغط إلى مستوى معين، فإن التأثير لا يكون واضحًا ； ②يسبب الضغط المرتفع صعوبات في إدارة المعدات والعمليات. هناك ثلاث طرق صناعية مستخدمة حاليًا في عملية التصنيع: الطريقة عالية الضغط، والطريقة متوسطة الضغط، والطريقة منخفضة الضغط. أما في إنتاج الميثانول، فإن الضغط المتوسط والمنخفض هو الأكثر استخدامًا، حيث يتم التحكم في الضغط عند حوالي 5 ميجا باسكال. ثالثًا، تركيب الغازات: من بين مكونات الغازات المفيدة نجد CO وCO2 وH2، أما المكونات الغازية غير الفعالة فهي CH4 وN2. يجب شرح كيفية ضمان تركيب الغازات المفيدة بشكل فعال وتقليل نسبة الغازات غير الفعالة للطلاب، مع الانتباه بشكل خاص إلى كيفية تنسيق نسبة المكونات الثلاثة CO وCO2 وH2، فهذا عامل مهم للغاية في إمكانية تصنيع الميثانول بشكل فعال، ويجب شرح كيفية توزيع هذه المكونات بالتفصيل. رابعاً: سرعة التدفق الهوائي ① سرعة التدفق الهوائي: مدة تلامس الغاز مع المحفز ； ②سرعة هواء منخفضة → قوة إنتاج الحفاز منخفضة → معدل إنتاج الميثانول لكل وحدة زمنية منخفض. سرعة هواء عالية → وقت التلامس مع الحفاز قصير، ولا يكون لدى معظم الغازات وقت كافٍ للتفاعل قبل أن يعود إلى الدائرة → كمية الغاز المعاد تدويره كبيرة، مما يزيد من أعباء المضخة ويرفع استهلاك الطاقة. السرعة الفعالة: 10000–30000 ساعة/ساعة. فيما يلي ملخص للشروط الأربعة المذكورة أعلاه.
أهم شروط عملية تصنيع الميثانول هي درجة الحرارة والضغط، بالإضافة إلى تركيب الغازات الخام ومعدل التدفق
أهم شروط العملية في التخليق هي درجة حرارة التفاعل، والضغط، وتركيب الغازات الأولية، ومعدل التدفق
تفاعل تخليق الميثانول هو تفاعل يتسبب في انكماش الحجم، طارد للحرارة، ويشارك فيه محفز. لذلك، 1) يساعد رفع الضغط في تحفيز إنتاج الميثانول، ولكن نظرًا لضرورة توفير استهلاك الطاقة في أجهزة الضغط، وخفض تكاليف الاستثمار وتكاليف الإنتاج، بالإضافة إلى الضغط المطلوب لتحويل الغازات الخام، فإن هذا الجهاز يستخدم طريقة الضغط المنخفض. ٢) مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد سرعة التفاعل، لكن في حالة التفاعلات المطلقة للحرارة، يتحرك التوازن نحو الاتجاه المعاكس، مما يعيق تكوين الإيثانول. لذلك، يجب إزالة الحرارة الناتجة عن التفاعل. عادةً ما يتم نقل الحرارة باستخدام طريقة التبريد بالصدمة أو الأنابيب. يستخدم هذا الجهاز مفاعل أنابيب متساوي الحرارة، حيث يتم التخلص من البخار ذو الضغط المتوسط الناتج كنتيجة لعملية التفاعل. بالنسبة للمحفزات المصنوعة من النحاس، فإن درجة الحرارة المثالية تكون بين 225 و270 درجة مئوية. ٣) يساعد رفع تركيزات غازي CO وCO2 وH2 في تكوين الميثانول، ولكن يجب أن يتم ذلك وفقًا لنسب التفاعل المناسبة. لذلك، يتم التحكم في نسبة الهيدروجين إلى الكربون في تفاعل الميثانول عادةً بين 2.0 و2.25. يتم حساب نسبة الهيدروجين إلى الكربون وفقًا للمعادلات التالية: H2-CO2/CO2+CO أو H2/ (CO+1.5 CO2). في هذا التفاعل، يساعد وجود فائض من الهيدروجين في تحفيز التفاعل للتقدم في الاتجاه الصحيح، مما يزيد من معدل تحويل ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون. كما أن الهيدروجين، بفضل خصائصه الجيدة في نقل الحرارة، يساعد في منع التسخين المفرط للمحفز. بالإضافة إلى ذلك، يساعد الفائض من الهيدروجين في خفض ضغط أول أكسيد الكربون، مما يقلل من تآكل المعدات الناتج عنه. يؤدي ارتفاع مستوى ثاني أكسيد الكربون، ونظرًا لأن تفاعل ثاني أكسيد الكربون يطلق كمية قليلة من الحرارة، إلى تحسين استقرار درجة حرارة برج التخليق، مما يساعد على الحفاظ على فعالية المحفزات المصنوعة من النحاس. لكن تفاعل ثاني أكسيد الكربون ينتج الماء، وهو ما يزيد من أعباء عملية التقطير. يتم التحكم فيه عادةً بين 2-6%، ولا يتجاوز 8%. لكن انخفاض مستوى ثاني أكسيد الكربون يؤدي إلى انخفاض نشاط الحفاز ومعدل التحويل. ٤) يؤدي وجود الغازات الخاملة إلى انخفاض الضغط الجزئي لغازات CO وCO2 وH2، مما يقلل من معدل التحويل في عملية تصنيع الميثانول، كما ينخفض أيضًا إنتاجية المعدات لكل وحدة حجم. بالإضافة إلى ذلك، يزداد حجم الغازات المستخدمة في الدورة، مما يرفع استهلاك الطاقة. لذلك، من الضروري تفريغ الغازات الخاملة من النظام بشكل دوري. 5) السرعة الهوائية: في ظل ظروف معينة، عندما تزداد السرعة الهوائية، يقل الوقت الذي يقضيه الغاز الخام في التلامس مع المحفز، مما يؤدي إلى عدم اكتمال التفاعل. ونتيجة لذلك، يكون محتوى الميثانول في الغاز الخارج من الخلاط منخفضًا. لكن نظرًا لزيادة عدد المرات التي يمر فيها الغاز عبر المحفز في وحدة الزمن، فإن معدل التحويل الكلي يزداد ； مع زيادة السرعة الهوائية، يرتفع الضغط، مما يزيد من المتطلبات المفروضة على المعدات. كما أن كمية الحرارة المستخرجة من الخزان الاصطناعي تكون كبيرة، مما يتطلب مساحة أكبر لأجهزة التبادل الحراري في الأنظمة اللاحقة.
درجة حرارة التفاعل، الضغط، معدل التدفق، تركيز غاز المواد الخام
تتكون ظروف العملية من درجة حرارة 222 درجة مئوية، وضغط 7.8 ميجا باسكال، ونسبة الهيدروجين إلى الكربون 2.5
الأمر يتعلق بشكل أساسي بالتحكم في درجة الحرارة، ونسبة الهيدروكربونات
أهم شروط عملية تصنيع الميثانول هي: درجة حرارة التفاعل، والضغط، وتركيب الغازات الخام، ومعدل التدفق. أولاً: درجة حرارة التفاعل
بالنسبة لتفاعلات تصنيع الميثانول، فإن التفاعلات الكيميائية هي كالتالي:
CO + 2H2 = CH3OH + Q
CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q
إنها تفاعلات تطلق طاقة، وارتفاع درجة الحرارة يساعد على زيادة سرعة التفاعل، وبالتالي يزيد من سرعة تصنيع الميثانول ； العيوب: 1. التخليق عبارة عن تفاعل انفجاري قابل للعكس، وارتفاع درجة الحرارة يعيق سير التفاعل في الاتجاه الصحيح ； ٢. المحفزات المبنية على النحاس حساسة لدرجة الحرارة داخل أبراج إعادة التصنيع، فالحرارة العالية قد تؤدي إلى فقدان الفعالية للمحفز ； ٣. درجة الحرارة المرتفعة قد تؤدي إلى حدوث العديد من التفاعلات الجانبية، مما يزيد من كمية الشوائب في الميثانول الخام الناتج ； ثانيًا: الضغط: يساعد ارتفاع الضغط في تقليل حجم المحلول الذي تحدث فيه التفاعلات ； لكن عندما يرتفع الضغط إلى مستوى معين، يصبح تأثيره أقل وضوحًا، كما أن الضغط المرتفع جدًا يسبب صعوبات في تصنيع الأجهزة وتكاليفها وإدارتها. ثالثًا: تركيب الغازات – المكونات المفيدة من الغازات هي CO وCO2 وH2، أما المكونات غير الفعالة فهي CH4 وN2.
رابعًا: معدل التدفق – عند استخدام معدل تدفق منخفض، فإن كفاءة إنتاج الحفاز تكون منخفضة، ونتيجة لذلك يكون إنتاج الميثانول في وحدة الزمن منخفضًا أيضًا ； سرعة هواء عالية ----- يكون وقت التلامس مع الحفاز قصيرًا، ولا يكون لدى معظم الغازات وقت كافٍ للتفاعل قبل أن يعود إلى الدائرة، مما يؤدي إلى زيادة كمية الغاز المتداول، وبالتالي يزداد عبء الضاغط وترتفع استهلاكات الطاقة.
بالنسبة لتفاعلات تصنيع الميثانول، فإن التفاعلات الكيميائية هي كالتالي:
CO + 2H2 = CH3OH + Q
CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O + Q
إنها تفاعلات تطلق طاقة، وارتفاع درجة الحرارة يساعد على زيادة سرعة التفاعل، وبالتالي يزيد من سرعة تصنيع الميثانول ； العيوب: 1. التخليق عبارة عن تفاعل انفجاري قابل للعكس، وارتفاع درجة الحرارة يعيق سير التفاعل في الاتجاه الصحيح ； ٢. المحفزات المبنية على النحاس حساسة لدرجة الحرارة داخل أبراج إعادة التصنيع، فالحرارة العالية قد تؤدي إلى فقدان الفعالية للمحفز ； ٣. درجة الحرارة المرتفعة قد تؤدي إلى حدوث العديد من التفاعلات الجانبية، مما يزيد من كمية الشوائب في الميثانول الخام الناتج ； ثانيًا: الضغط: يساعد ارتفاع الضغط في تقليل حجم المحلول الذي تحدث فيه التفاعلات ； لكن عندما يرتفع الضغط إلى مستوى معين، يصبح تأثيره أقل وضوحًا، كما أن الضغط المرتفع جدًا يسبب صعوبات في تصنيع الأجهزة وتكاليفها وإدارتها. ثالثًا: تركيب الغازات – المكونات المفيدة من الغازات هي CO وCO2 وH2، أما المكونات غير الفعالة فهي CH4 وN2.
رابعًا: معدل التدفق – عند استخدام معدل تدفق منخفض، فإن كفاءة إنتاج الحفاز تكون منخفضة، ونتيجة لذلك يكون إنتاج الميثانول في وحدة الزمن منخفضًا أيضًا ； سرعة هواء عالية ----- يكون وقت التلامس مع الحفاز قصيرًا، ولا يكون لدى معظم الغازات وقت كافٍ للتفاعل قبل أن يعود إلى الدائرة، مما يؤدي إلى زيادة كمية الغاز المتداول، وبالتالي يزداد عبء الضاغط وترتفع استهلاكات الطاقة.